Нейроимиджинг: методы изучения структуры и функций нервной системы.

Нейроимиджинг: методы изучения мозга и нервной системы. Объективные исследования структуры и функций, отличие от нейрорадиологии. Наука о мозге.

15 мин чтения

100%

Источник: Neuroimaging — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Набор техник для измерения и визуализации аспектов нервной системы – нейровизуализация.

Нейровизуализация – это использование количественных (вычислительных) методов для изучения структуры и функции центральной нервной системы, разработанных как объективный способ научного изучения здорового человеческого мозга неинвазивным путем. Все чаще она также применяется в количественных исследованиях заболеваний мозга и психических расстройств. Нейровизуализация – это междисциплинарная область, включающая нейронауку, информатику, психологию и статистику, и не является медицинской специальностью. Нейровизуализацию иногда путают с нейрорадиологией. Нейрорадиология – это медицинская специальность, использующая не статистическую визуализацию мозга в клинической практике, выполняемую радиологами – врачами. Нейрорадиология в основном сосредоточена на выявлении поражений мозга, таких как сосудистые заболевания, инсульты, опухоли и воспалительные заболевания. В отличие от нейровизуализации, нейрорадиология носит качественный характер (основанный на субъективных впечатлениях и обширной клинической подготовке), но иногда использует базовые количественные методы. Методы функциональной визуализации мозга, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), широко используются в нейровизуализации, но редко применяются в нейрорадиологии. Нейровизуализация подразделяется на две основные категории: структурная визуализация, используемая для количественной оценки структуры мозга, например, воксель-основанная морфометрия, и функциональная визуализация, используемая для изучения функции мозга, часто с применением фМРТ и других техник, таких как ПЭТ и МЭГ (см. ниже).

История

Первая глава в истории нейроизображения восходит к итальянскому нейробиологу Анджело Моссо, который изобрел «баланс кровообращения человека», позволявший неинвазивно измерять перераспределение крови во время эмоциональной и интеллектуальной активности. В 1918 году американский нейрохирург Уолтер Данди ввел технику вентрикулографии. Рентгеновские снимки желудочковой системы мозга получали путем введения фильтрованного воздуха непосредственно в один или оба боковых желудочка мозга. Данди также заметил, что воздух, введенный в субарахноидальное пространство через поясничную спинномозговую пункцию, может проникать в желудочки головного мозга, а также визуализировать отсеки спинномозговой жидкости вокруг основания мозга и над его поверхностью. Эта техника получила название пневмоэнцефалографии. В 1927 году Эгас Монис представил церебральную ангиографию, с помощью которой можно было с высокой точностью визуализировать как нормальные, так и аномальные кровеносные сосуды в мозге и вокруг него. В начале 1970-х годов Аллан МакЛеод Кормак и Годфри Ньюболд Хансфилд представили компьютерную осевую томографию (КАТ или КТ-сканирование), и стали доступны все более детальные анатомические изображения мозга для диагностики и исследований. Кормак и Хансфилд получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свою работу в 1979 году. Вскоре после внедрения КАТ в начале 1980-х годов, разработка радиолигандов позволила провести однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) мозга. Примерно в то же время исследователи, включая Питера Мэнсфилда и Пола Лаутербура, разработали магнитно-резонансную томографию (МРТ или МРТ-сканирование), за что они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2003 году. В начале 1980-х годов МРТ была внедрена в клиническую практику, и в течение 1980-х годов произошел настоящий взрыв технических усовершенствований и диагностических применений МРТ. Вскоре ученые выяснили, что значительные изменения кровотока, измеряемые с помощью ПЭТ, также можно визуализировать с помощью МРТ. Так появилась функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), и с 1990-х годов фМРТ стала доминировать в области картирования мозга благодаря своей низкой инвазивности, отсутствию радиационного воздействия и относительной широкой доступности. В начале 2000-х годов область нейроизображения достигла стадии, когда стали возможны ограниченные практические применения функциональной визуализации мозга. Основной областью применения являются примитивные формы интерфейса мозг-компьютер. Мировой рекорд по пространственному разрешению МРТ-изображения всего мозга составлял 100 микрометров (объем изображения), достигнутый в 2019 году. Сбор данных занял около 100 часов. Мировой рекорд по пространственному разрешению изображения целого человеческого мозга, полученного любым методом, был установлен рентгеновской томографией, выполненной в ESRF (Европейском центре синхротронного излучения) с разрешением около 25 микрон. Сканирование заняло около 22 часов. Этот снимок был частью атласа человеческих органов, который включает в себя и другие рентгеновские томограммы других органов человеческого тела с таким же разрешением. Ключевая идея магнитно-резонансной томографии заключается в том, что вектор чистой намагниченности можно переместить, воздействуя на спиновую систему энергией частоты, равной разнице энергий между спиновыми состояниями (например, радиочастотным импульсом). Если в систему подать достаточно энергии, можно сделать вектор чистой намагниченности ортогональным к внешнему магнитному полю.

The first chapter of the history of neuroimaging traces back to the Italian neuroscientist Angelo Mosso who invented the 'human circulation balance', which could non invasively measure the redistribution of blood during emotional and intellectual activity. In 1918, the American neurosurgeon Walter Dandy introduced the technique of ventriculography. X ray images of the ventricular system within the brain were obtained by injection of filtered air directly into one or both lateral ventricles of the brain. Dandy also observed that air introduced into the subarachnoid space via lumbar spinal puncture could enter the cerebral ventricles and also demonstrate the cerebrospinal fluid compartments around the base of the brain and over its surface. This technique was called pneumoencephalography. In 1927, Egas Moniz introduced cerebral angiography, whereby both normal and abnormal blood vessels in and around the brain could be visualized with great precision. In the early 1970s, Allan McLeod Cormack and Godfrey Newbold Hounsfield introduced computerized axial tomography (CAT or CT scanning), and ever more detailed anatomic images of the brain became available for diagnostic and research purposes. Cormack and Hounsfield won the 1979 Nobel Prize for Physiology or Medicine for their work. Soon after the introduction of CAT in the early 1980s, the development of radioligands allowed single photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET) of the brain. More or less concurrently, magnetic resonance imaging (MRI or MR scanning) was developed by researchers including Peter Mansfield and Paul Lauterbur, who were awarded the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 2003. In the early 1980s MRI was introduced clinically, and during the 1980s a veritable explosion of technical refinements and diagnostic MR applications took place. Scientists soon learned that the large blood flow changes measured by PET could also be imaged by the correct type of MRI. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was born, and
since the 1990s, fMRI has come to dominate the brain mapping field due to its low invasiveness, lack of radiation exposure, and relatively wide availability. In the early 2000s, the field of neuroimaging reached the stage where limited practical applications of functional brain imaging have become feasible. The main application area is crude forms of brain–computer interface. The world record for the spatial resolution of a whole brain MRI image was a 100 micrometer volume (image) achieved in 2019. The sample acquisition took about 100 hours. The spatial world record of a whole human brain of any method was an
x ray tomography scan done at the ESRF (European synchrotron radiation facility) which had a resolution of about 25 microns the scan took about 22 hours. this scan was part of the human organ atlas which has other x ray tomography scans of other organs in the human body with the same resolution. A crucial idea for magnetic resonance imaging is that the net magnetization vector can be moved by exposing the spin system to energy of a frequency equal to the energy difference between the spin states (e. g., by a radio frequency pulse). If enough energy is delivered to the system, it is possible to make the net magnetization vector orthogonal to that of the external magnetic field.

Показания

Нейрорадиология часто проводится после неврологического обследования, в ходе которого врач выявил необходимость более детального обследования пациента с существующим или подозреваемым неврологическим расстройством. Распространенные клинические показания для нейровизуализации включают черепно-мозговую травму, симптомы, схожие с инсультом, например: внезапная слабость/онемение в одной половине тела, затруднения речи или при ходьбе; судороги, внезапная сильная головная боль, внезапное изменение уровня сознания по невыясненным причинам. Другим показанием для нейрорадиологии является стереотаксическая хирургия или радиохирургия, выполняемая под контролем КТ, МРТ и ПЭТ, для лечения внутричерепных опухолей, артериовенозных мальформаций и других состояний, поддающихся хирургическому лечению. Одной из наиболее распространенных неврологических проблем, с которой может столкнуться человек, является простой синкопе (обморок). В случаях простого синкопе, когда анамнез пациента не указывает на другие неврологические симптомы, диагноз устанавливается на основании неврологического обследования, но рутинная нейровизуализация не показана, поскольку вероятность выявления причины в центральной нервной системе крайне низка, и пациент вряд ли получит пользу от этой процедуры. Исследования показывают, что наличие мигрени не повышает риск развития внутричерепного заболевания у пациента.

Компьютерная осевая томография

Компьютерная томография (КТ) или компьютерная осевая томография (КАТ) использует серию рентгеновских снимков головы, сделанных под разными углами. Обычно применяемая для быстрой визуализации повреждений мозга, КТ использует компьютерную программу, которая выполняет численное интегрирование (обратное преобразование Радона) измеренной серии рентгеновских лучей для оценки степени поглощения рентгеновского излучения в малом объеме мозга. Как правило, информация представляется в виде поперечных срезов мозга.

Магнитно-резонансная томография

Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует магнитные поля и радиоволны для получения высококачественных двух- или трехмерных изображений структур мозга без использования ионизирующего излучения (рентгеновских лучей) или радиоактивных трассеров. Рекорд по наивысшему пространственному разрешению целого неповрежденного мозга (посмертно) составляет 100 микрон, полученный в Массачусетской общей больнице. Данные были опубликованы в журнале Scientific Data 30 октября 2019 года.

Позитроноэмиссионная томография

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и томография мозга с использованием позитронов измеряют излучение радиоактивно меченых метаболически активных веществ, введенных в кровоток. Данные об излучении обрабатываются компьютером для создания двух- или трехмерных изображений, отображающих распределение веществ в мозге. Позитронно-излучающие радиоизотопы производятся в циклотроне, а химические вещества маркируются этими радиоактивными атомами. Меченое соединение, называемое радиофармпрепаратом, вводится в кровоток и в конечном итоге достигает мозга. Датчики ПЭТ-сканера обнаруживают радиоактивность по мере накопления соединения в различных областях мозга. Компьютер использует данные, собранные датчиками, для создания многоцветных двух- или трехмерных изображений, показывающих, где соединение действует в мозге. Особенно полезен широкий спектр лигандов, используемых для картирования различных аспектов активности нейротрансмиттеров, причем наиболее часто используемым ПЭТ-трассером является меченая форма глюкозы (см. Флюородезоксиглюкоза (18F) (FDG)). Основное преимущество ПЭТ-сканирования заключается в том, что различные соединения могут отображать кровоток, потребление кислорода и метаболизм глюкозы в тканях работающего мозга. Эти измерения отражают активность мозга в различных его областях и позволяют лучше понять принципы его работы. Когда ПЭТ-сканирование впервые стало доступным, оно превосходило все другие методы метаболической визуализации по разрешению и скорости выполнения (всего 30 секунд). Улучшенное разрешение позволило более детально изучать области мозга, активируемые при выполнении конкретных задач. Главный недостаток ПЭТ-сканирования заключается в том, что из-за быстрого распада радиоактивности оно ограничено мониторингом коротких задач. Эта информация может помочь в планировании хирургического лечения эпилепсии при неэффективности медикаментозной терапии. Другие радиофармпрепараты также использовались для выявления областей начала припадков, хотя они не доступны в коммерческой продаже для клинического применения. К ним относятся 11C флумазенил, 11C альфа-метил-L-триптофан, 11C метионин, 11C церфентанил. SPECT основан на введении радиоактивного трасера, или "SPECT-агента", который быстро поглощается мозгом, но не перераспределяется. Поглощение SPECT-агента практически полностью завершается в течение 30-60 секунд, отражая мозговой кровоток (МКК) в момент инъекции. Эти свойства SPECT делают его особенно подходящим для визуализации эпилепсии, которая часто затруднена из-за проблем с движением пациента и разнообразием типов приступов. SPECT предоставляет "снимок" мозгового кровотока, поскольку сканирование может быть выполнено после прекращения приступа (при условии, что радиоактивный трасер был введен во время приступа). Значительным ограничением SPECT является его низкое разрешение (около 1 см) по сравнению с МРТ. Сегодня обычно используются SPECT-аппараты с двумя детекторами, хотя на рынке доступны и аппараты с тремя детекторами. Томографическая реконструкция (в основном используемая для получения функциональных "снимков" мозга) требует множественных проекций от детекторных головок, вращающихся вокруг черепа, поэтому некоторые исследователи разработали SPECT-аппараты с 6 и 11 детекторами для сокращения времени сканирования и повышения разрешения. Как и ПЭТ, SPECT также может использоваться для дифференциальной диагностики различных заболеваний, вызывающих деменцию, и его применение в этой области постоянно расширяется. SPECT-сканирование с использованием изофлупана, меченного I-123 (также называемое DaT-сканированием), полезно для дифференциальной диагностики болезни Паркинсона от других причин тремора. SPECT-сканирование также используется при оценке лекарственно-устойчивой эпилепсии. В качестве трасеров используются Tc-99-гексаметилпропиленаминоксим (Tc-99HMPAO) или этилцистеина димер (Tc-99 ECD). Радиофармпрепарат вводится в вену пациента сразу после обнаружения начала приступа, а сканирование проводится в течение нескольких часов после его окончания. Этот метод называется иктальной SPECT и основан на увеличении МКК в областях начала приступа во время приступа. Интер-иктальная SPECT – это сканирование, выполняемое с использованием тех же трасеров, но в период между приступами. В период между приступами наблюдается снижение МКК в областях начала приступа, которое менее выражено, чем увеличение кровотока во время приступа.

Positron emission tomography (PET) and brain positron emission tomography, measure emissions from radioactively labeled metabolically active chemicals that have been injected into the bloodstream. The emission data are computer processed to produce 2 or 3 dimensional images of the distribution of the chemicals throughout the brain. The positron emitting radioisotopes used are produced by a cyclotron, and chemicals are labeled with these radioactive atoms. The labeled compound, called a radiotracer, is injected into the bloodstream and eventually makes its way to the brain. Sensors in the PET scanner detect the radioactivity as the compound accumulates in various regions of the brain. A computer uses the data gathered by the sensors to create multicolored 2 or 3 dimensional images that show where the compound acts in the brain. Especially useful are a wide array of ligands used to map different aspects of neurotransmitter activity, with by far the most commonly used PET tracer being a labeled form of glucose (see Fludeoxyglucose (18F) (FDG)). The greatest benefit of PET scanning is that different compounds can show blood flow and oxygen and glucose metabolism in the tissues of the working brain. These measurements reflect the amount of brain activity in the various regions of the brain and allow to learn more about how the brain works. PET scans were superior to all other metabolic imaging methods in terms of resolution and speed of completion (as little as 30 seconds) when they first became available. The improved resolution permitted better study to be made as to the area of the brain activated by a particular task. The biggest drawback of PET scanning is that because the radioactivity decays rapidly, it is limited to monitoring short tasks. This information can help plan for epilepsy surgery as a treatment for drug resistant epilepsy. Other radiotracers have also been used to identify areas of seizure onset though they are not available commercially for clinical use. These include 11C flumazenil, 11C alpha methyl L tryptophan, 11C methionine, 11C cerfentanil. SPECT relies on an injection of radioactive tracer, or "SPECT agent," which is rapidly taken up by the brain but does not redistribute. Uptake of SPECT agent is nearly 100% complete within 30 to 60 seconds, reflecting cerebral blood flow (CBF) at the time of injection. These properties of SPECT make it particularly well suited for epilepsy imaging, which is usually made difficult by problems with patient movement and variable seizure types. SPECT provides a "snapshot" of cerebral blood flow since scans can be acquired after seizure termination (so long as the radioactive tracer was injected at the time of the seizure). A significant limitation of SPECT is its poor resolution (about 1 cm) compared to that of MRI. Today, SPECT machines with Dual Detector Heads are commonly used, although Triple Detector Head machines are available in the marketplace. Tomographic reconstruction, (mainly used for functional "snapshots" of the brain) requires multiple projections from Detector Heads which rotate around the human skull, so some researchers have developed 6 and 11 Detector Head SPECT machines to cut imaging time and give higher resolution. Like PET, SPECT also can be used to differentiate different kinds of disease processes which produce dementia, and it is increasingly used for this purpose. SPECT scan using Isoflupane labeled with I 123 (also called DaT scan) is useful in differentiating Parkinson's disease from other causes of tremor. SPECT scan is also used in evaluation of drug resistant epilepsy. This uses Tc99 labeled hexamethyl propylene amine oxime (Tc99HMPAO) or ethyl cysteinate dimer ( Tc99 ECD) as the tracers. The radiotracer is injected into the patient's vein as soon as the start of a seizure is detected and scanning is done within few hours after the seizure is over. This technique is called ictal SPECT and relies on the increased CBF in areas of seizure onset during the seizure. Interictal SPECT is a scan done using the same tracers but during a time when the patient is not having a seizure. In between seizures, a reduction in CBF is seen in areas of seizure onset and is not as pronounced as the blood flow increase during the seizure.

Ультразвуковое исследование черепа

Ультразвуковое исследование головного мозга обычно применяют только у младенцев, поскольку открытые роднички служат акустическими окнами, обеспечивающими возможность визуализации мозга с помощью ультразвука. Преимуществами являются отсутствие ионизирующего излучения и возможность проведения исследования непосредственно у постели больного, однако из-за недостаточной детализации мягких тканей для диагностики некоторых состояний предпочтительнее МРТ.

Функциональная магнитно-резонансная томография

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и артериальная спин-маркировка (АСЛ) основаны на парамагнитных свойствах оксигемоглобина и дезоксигемоглобина для визуализации изменений мозгового кровотока, связанных с нейронной активностью. Это позволяет получать изображения, отражающие, какие структуры мозга активируются (и как) при выполнении различных задач или в состоянии покоя. Согласно гипотезе об оксигенации, изменения в потреблении кислорода в региональном мозговом кровотоке во время когнитивной или поведенческой активности могут быть связаны с региональными нейронами, непосредственно участвующими в выполняемых когнитивных или поведенческих задачах. Большинство сканеров фМРТ позволяют предъявлять испытуемым различные визуальные стимулы, звуки и тактильные ощущения, а также выполнять различные действия, такие как нажатие кнопки или перемещение джойстика. Следовательно, фМРТ может быть использована для выявления структур и процессов мозга, связанных с восприятием, мышлением и действием. Разрешение фМРТ в настоящее время составляет около 2-3 миллиметров, что ограничено пространственным распространением гемодинамического ответа на нейронную активность. Она во многом заменила ПЭТ для изучения паттернов активации мозга. Однако ПЭТ сохраняет значительное преимущество, заключающееся в возможности идентифицировать специфические мозговые рецепторы (или транспортеры), связанные с конкретными нейротрансмиттерами, благодаря способности визуализировать радиоактивно меченые рецепторные "лиганды" (лиганды рецепторов – это любые химические вещества, которые связываются с рецепторами). Также вызывает серьезную обеспокоенность валидность некоторых статистических методов, используемых в анализе фМРТ, и, следовательно, достоверность выводов, сделанных на основе многих исследований фМРТ. С точностью от 72% до 90% (в то время как случайность достигает 0,8%), методы фМРТ могут определить, какое из набора известных изображений просматривает испытуемый. Недавние исследования в области машинного обучения в психиатрии использовали фМРТ для создания моделей машинного обучения, способных различать людей с суицидальным поведением и без него. Исследования визуализации в сочетании с алгоритмами машинного обучения могут помочь выявить новые маркеры в нейровизуализации, которые позволят проводить стратификацию пациентов на основе риска суицида и разработать оптимальные терапевтические подходы для каждого пациента.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) and arterial spin labeling (ASL) relies on the paramagnetic properties of oxygenated and deoxygenated hemoglobin to see images of changing blood flow in the brain associated with neural activity. This allows images to be generated that reflect which brain structures are activated (and how) during the performance of different tasks or at resting state. According to the oxygenation hypothesis, changes in oxygen usage in regional cerebral blood flow during cognitive or behavioral activity can be associated with the regional neurons as being directly related to the cognitive or behavioral tasks being attended. Most fMRI scanners allow subjects to be presented with different visual images, sounds and touch stimuli, and to make different actions such as pressing a button or moving a joystick. Consequently, fMRI can be used to reveal brain structures and processes associated with perception, thought and action. The resolution of fMRI is about 2 3 millimeters at present, limited by the spatial spread of the hemodynamic response to neural activity. It has largely superseded PET for the study of brain activation patterns. PET, however, retains the significant advantage of being able to identify specific brain receptors (or transporters) associated with particular neurotransmitters through its ability to image radiolabeled receptor "ligands" (receptor ligands are any chemicals that stick to receptors). There is also significant concern regarding the validity of some of the statistics used in fMRI analyses; hence, the validity of conclusions drawn from many fMRI studies. With between 72% and 90% accuracy where chance would achieve 0.8%, fMRI techniques can decide which of a set of known images the subject is viewing. Recent studies on machine learning in psychiatry have used fMRI to build machine learning models that can discriminate between individuals with or without suicidal behaviour. Imaging studies in conjunction with machine learning algorithms may help identify new markers in neuroimaging that could allow stratification based on patients' suicide risk and help develop the best therapies and treatments for individual patients.

Диффузная оптическая визуализация

Диффузная оптическая визуализация (DOI) или диффузная оптическая томография (DOT) — это метод медицинской визуализации, использующий ближний инфракрасный свет для получения изображений тела. Техника измеряет оптическое поглощение гемоглобина и основана на изменении спектра поглощения гемоглобина в зависимости от степени его насыщения кислородом. Высокоплотная диффузная оптическая томография (HD DOT) была непосредственно сопоставлена с фМРТ при использовании реакции на зрительную стимуляцию у испытуемых, исследуемых обоими методами, с обнадеживающе схожими результатами. HD DOT также сравнивалась с фМРТ в контексте языковых задач и функциональной связности в состоянии покоя.

Оптический сигнал, связанный с событием

Оптический сигнал, связанный с событием (EROS), – это метод сканирования мозга, использующий инфракрасный свет, передаваемый по оптическим волокнам, для измерения изменений оптических свойств активных участков коры головного мозга. В отличие от таких методов, как диффузная оптическая томография (DOT) и ближняя инфракрасная спектроскопия (NIRS), которые измеряют оптическое поглощение гемоглобина и, следовательно, основаны на кровотоке, EROS использует рассеивающие свойства самих нейронов, что позволяет более непосредственно оценивать клеточную активность. EROS способен определять активность в мозге с точностью до миллиметров (пространственно) и миллисекунд (по времени). Основным недостатком метода является невозможность регистрации активности на глубине более нескольких сантиметров. EROS – это новый, относительно недорогой и неинвазивный метод исследования. Он был разработан в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, где сейчас применяется в Лаборатории когнитивной нейроимиджинга под руководством доктора Габриэля Граттона и доктора Моники Фабиани.

Магнитоэнцефалография

Магнитоэнцефалография (МЭГ) – это метод нейровизуализации, используемый для измерения магнитных полей, создаваемых электрической активностью мозга, с помощью чрезвычайно чувствительных устройств, таких как сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID) или магнитометры со спин-обменной релаксацией (SERF). МЭГ обеспечивает очень прямое измерение электрической активности нейронов (по сравнению, например, с фМРТ) с очень высоким временным разрешением, но относительно низким пространственным разрешением. Преимущество измерения магнитных полей, генерируемых нейронной активностью, заключается в том, что они, вероятно, меньше искажаются окружающими тканями (особенно черепом и кожей головы) по сравнению с электрическими полями, измеряемыми электроэнцефалографией (ЭЭГ). В частности, можно показать, что магнитные поля, создаваемые электрической активностью, не подвержены влиянию окружающих тканей головы, если голова моделируется как набор концентрических сферических оболочек, каждая из которых является изотропным однородным проводником. Реальные головы не имеют сферической формы и обладают преимущественно анизотропной проводимостью (особенно белое вещество и череп). В то время как анизотропия черепа оказывает незначительное влияние на МЭГ (в отличие от ЭЭГ), анизотропия белого вещества существенно влияет на измерения МЭГ для радиальных и глубоких источников. Однако следует отметить, что в данном исследовании предполагалось, что череп является однородно анизотропным, что не соответствует действительности для реальной головы: абсолютная и относительная толщина слоев диплоэ и пластинок черепа варьируется между костями черепа и внутри них. Это делает вероятным, что на МЭГ также влияет анизотропия черепа, хотя, вероятно, и не в такой степени, как на ЭЭГ. МЭГ находит широкое применение, включая помощь хирургам в локализации патологии, помощь исследователям в определении функций различных областей мозга, нейрообратную связь и другие области.

Функциональная ультразвуковая томография

Функциональная ультразвуковая визуализация (fUS) – это медицинская ультразвуковая методика, предназначенная для обнаружения или измерения изменений в нейронной активности или метаболизме, например, областей мозговой активности, как правило, посредством измерения кровотока или гемодинамических изменений. Функциональный ультразвук базируется на ультрачувствительном допплере и ультрабыстрой ультразвуковой визуализации, что обеспечивает высокочувствительное изображение кровотока.

Квантовый оптически насосный магнитометр

В июне 2021 года исследователи сообщили о разработке первого модульного квантового сканера мозга, использующего магнитно-резонансную визуализацию и потенциально способного стать новым методом сканирования всего мозга.

Функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI)

ФМРТ обычно классифицируется как метод с минимальным или умеренным риском благодаря своей неинвазивности по сравнению с другими методами визуализации. ФМРТ использует контраст, основанный на уровне оксигенации крови (BOLD), для получения изображений. BOLD-контраст – это естественный процесс, происходящий в организме, поэтому фМРТ часто предпочтительнее методов визуализации, требующих радиоактивных маркеров для получения сопоставимых изображений. Важным аспектом при использовании фМРТ является его применение у пациентов с медицинскими имплантатами или устройствами, а также наличием металлических предметов в теле. Магнитное поле (МР), создаваемое оборудованием, может привести к сбою в работе медицинских устройств и притяжению металлических объектов в организме, если не проведена надлежащая проверка. В настоящее время FDA классифицирует медицинские имплантаты и устройства на три категории в зависимости от совместимости с МР: безопасные для МР (безопасны в любых условиях МР), небезопасные для МР (небезопасны в любых условиях МР) и условно безопасные для МР (совместимы с МР в определенных условиях, требующие дополнительной информации).

Компьютерная томография (КТ)

КТ-сканирование было внедрено в 1970-х годах и быстро стало одним из наиболее распространенных методов визуализации. КТ-сканирование может быть выполнено менее чем за секунду и обеспечивает быстрые результаты для врачей, а простота его использования привела к увеличению числа КТ-сканирований, проводимых в Соединенных Штатах с 3 миллионов в 1980 году до 62 миллионов в 2007 году. Врачи часто делают несколько сканирований, при этом, согласно одному исследованию использования КТ, 30% пациентов проходят как минимум 3 сканирования. КТ-сканирование может подвергать пациентов воздействию уровней радиации в 100-500 раз превышающих уровни традиционных рентгеновских снимков, при этом более высокие дозы радиации обеспечивают более четкое изображение. Несмотря на простоту использования, увеличение частоты проведения КТ-сканирования, особенно у пациентов без симптомов, вызывает опасения, поскольку пациенты подвергаются значительно высоким уровням радиации. В настоящее время фМРТ является предпочтительным методом визуализации активности мозга по сравнению с ПЭТ, поскольку он не связан с воздействием радиации, обладает более высоким временным разрешением, чем ПЭТ, и более доступен в большинстве медицинских учреждений.

Магнитоэнцефалография (MEG) и электроэнцефалография (EEG)

Высокое временное разрешение МЭГ и ЭЭГ позволяет этим методам измерять активность мозга с точностью до миллисекунды. И МЭГ, и ЭЭГ не требуют облучения пациента для работы. Электроды ЭЭГ регистрируют электрические сигналы, генерируемые нейронами, для измерения активности мозга, а МЭГ использует колебания магнитного поля, создаваемого этими электрическими токами, для измерения активности. Ограничением широкого распространения МЭГ является высокая стоимость, поскольку системы МЭГ могут стоить миллионы долларов. ЭЭГ является гораздо более распространенным методом для достижения такой временной точности, так как системы ЭЭГ значительно дешевле систем МЭГ. Недостатком ЭЭГ и МЭГ является то, что оба метода обладают плохим пространственным разрешением по сравнению с фМРТ.